REPÈRES

Énergie solaire

I - Le rayonnement solaire : une ressource naturelle

Barrage de Roselend sous la neige

Le Soleil est une étoile quelconque, mais, pour la vie sur Terre, sa présence est indispensable. Constitué en majeure partie d'hydrogène*, le noyau du soleil est le siège de réactions thermonucléaires qui produisent surtout de l'hélium* et un rayonnement* sous une température* de plusieurs dizaines de millions de degrés. Une grande partie du rayonnement se situe dans le domaine de la lumière visible (0,4 micromètres* (µm) de longueur d'onde* à 0,8 micromètres (µm) de longueur d'onde). Le reste se situe essentiellement dans le domaine des infrarouges* (longueur d'onde supérieure à 0,8 micromètres (µm)) et une faible partie dans celui des ultraviolets* (longueur d'onde inférieure à 0,4 micromètres (µm)). En traversant l'atmosphère*, une bonne partie du rayonnement est absorbée avant de parvenir à la surface de la Terre.
Cependant, l'énergie solaire* reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle !

La forme sphérique de la Terre, sa rotation, l'inclinaison de son axe de rotation, son mouvement de révolution autour du soleil, déterminent la distribution du rayonnement.
L'insolation d'une région dépend donc de sa latitude*, de la saison et de l'heure de la journée.

Les trajets du rayonnement solaire dans l'atmosphère en fonction de la journée

II - L'énergie solaire

Un cadran solaire dans le Queyras

Hier

1 - Le soleil des mythes à l'histoire

Le Soleil est au centre des religions et des mythes dans toutes les cultures et sur tous les continents depuis la plus lointaine Antiquité : Rê, Amon ou Aton des Égyptiens, Hélios des Grecs, Inti des Incas, Belen des Celtes, Fuxi des Chinois, Mithra des Zoroastriens, Etsa des Indiens Jivaros d'Amazonie.
En Égypte ancienne, le Soleil représente l'élément central, autour duquel tout s'organise. Les Égyptiens se sont tout particulièrement attachés à décrire la navigation nocturne du disque solaire : chaque nuit, le Soleil dans sa barque doit affronter des épreuves et vaincre des forces hostiles, notamment l'attaque d'Apopis, le serpent géant. L'aube équivaut, pour le Soleil, à une renaissance puisqu'elle dissipe les angoisses de la nuit.

Extrait de l'Hymne au disque solaire Aton (vers 1370 av. J.-C.)

C'est toi Aton, tu vis éternellement...

Tu as créé le ciel lointain, pour te lever en lui

Et voir tout ce que tu as créé.

Tu es tout seul et des millions d'êtres

Vivent par toi, et reçoivent de toi

Des souffles de vie pour leurs narines.

À voir tes rayons, toutes les fleurs vivent,

Elles qui poussent sur le sol et prospèrent

Par ton apparition ; elles s'enivrent de ta face.

Tous les animaux sautent sur les pieds :

Les oiseaux, qui étaient dans leurs nids, volent

Joyeusement, leurs ailes, qui étaient repliées,

S'ouvrent pour adorer Aton vivant.

Dans la mythologie grecque, Hélios ou Soleil est un cocher merveilleux que son char attelé de chevaux ailés conduit chaque jour de l'Orient aux limites occidentales du monde, sur les rives du fleuve Océan dont toutes les eaux régénératrices encerclent la Terre.
Dans la tradition aztèque, le soleil actuel fut précédé de quatre autres soleils, qui correspondent à quatre périodes.

- Le premier ou "Quatre-Jaguar" brillait à l'époque où la Terre était peuplée de géants, il fut enseveli par l'effondrement du ciel et les jaguars dévorèrent tous les habitants.
- Le deuxième soleil ou "Quatre-Vent" fut détruit par un ouragan gigantesque qui transforma les hommes en singes.
- Le troisième "Quatre-Pluie" fut anéanti par une pluie de feu qui métamorphosa les habitants de la Terre en dindons.
- Le quatrième "Quatre-Eau" disparut dans un déluge qui engloutit les montagnes et transforma les humains en poissons.
- Le soleil actuel "Quatre-Mouvement" serait comme les précédents voué à l'échec. Les hommes ne peuvent retarder que l'échéance en entretenant son énergie.

2 - Le soleil et le pouvoir

Le soleil a accompagné depuis les origines les conquérants et les souverains.

Le pharaon Akhénaton, accompagné de sa famille, rend hommage à Aton, le dieu Soleil

En Égypte, le pharaon Aménophis IV (vers 1353 av. J.-C.) prit le nom d'Akhénaton ("celui qui plait au disque solaire") pour lancer sa réforme religieuse et politique afin de rassembler son peuple sous le signe de la lumière universelle, dispensée par Aton. Plus tard, Alexandre le Grand après avoir conquis l'Égypte se proclama "Dieu soleil, fils d'Amon". Plus près de nous, Louis XIV exalta le mythe d'Apollon, décora Versailles de symboles solaires, se fit représenter en roi Soleil.
Le soleil continue aujourd'hui à conserver sa valeur symbolique à travers les drapeaux de nombreux états : Argentine, Japon...

Drapeau du Japon

Aujourd'hui

1 - Utiliser les rayons solaires pour se chauffer : les capteurs solaires thermiques

La température du capteur solaire augmente lorsqu'il est exposé au rayonnement solaire. Il émet à son tour un rayonnement électromagnétique* de type infrarouge* source de chaleur.
Au milieu du XX^e siècle, le mur "Trombe-Michel", qui a été conçu par le physicien français Félix Trombe et l'architecte Jacques Michel, fonctionnait sur ce principe :

Un mur "Trombe-Michel"

La "surface noire" du schéma ci-dessus désigne une surface dont la température augmente davantage lors d'une exposition au soleil par rapport à une surface d'une autre couleur.

Aujourd'hui, on utilise le capteur solaire à effet de serre*. Il est composé d'une plaque métallique, appelée absorbeur, qui est noircie pour absorber le maximum du rayonnement, puis est recouverte d'une vitre. Les rayons solaires qui traversent la vitre y sont absorbés par l'absorbeur qui s'échauffe et émet des rayons infrarouges.
Les infrarouges restent prisonniers dans le capteur à cause de la vitre (effet de serre). Un liquide caloriporteur traverse le capteur, par des tuyaux, et récupère la chaleur pour la conduire jusqu'au consommateur. Ces capteurs fournissent une eau dont la température peut atteindre 60° C, convenable pour les usages sanitaires et le chauffage des maisons (par exemple, les planchers chauffants).
Les pertes thermiques par convection et conduction sont importantes dans ces capteurs : pour les réduire, ils peuvent être montés sous vide d'air. Ces capteurs, appelés capteurs à tubes évacués sous vide, peuvent fournir de l'eau à des températures supérieures à 70° C.
Par suite de l'irrégularité de l'ensoleillement, et en fonction des régions, les capteurs solaires thermiques ne peuvent pas à eux seuls fournir toute la chaleur nécessaire au chauffage d'une habitation. Un dispositif d'appoint d'énergie est toujours prévu.

Un capteur solaire à effet de serre

Légende
a- rayonnement solaire incident
b- rayonnement réfléchi par le vitrage (couverture transparente)
c- rayonnement thermique émis par l'absorbeur
d- rayonnement thermique réfléchi par le vitrage
e- rayonnement thermique absorbé par le vitrage
f- rayonnement thermique émis par le vitrage
g et h- pertes thermiques latérales et inférieures par l'isolation et le cadre

2 - Utiliser les rayons solaires pour obtenir de l'électricité : les capteurs solaires à concentration

L'objectif est d'atteindre une température nettement supérieure à celle obtenue par les capteurs à effet de serre plans (jusqu'à au moins des températures de 400° C). Pour cela, il faut faire converger tous les rayons solaires en un même point.
Cette concentration fait appel aux propriétés optiques des miroirs et des lentilles. Deux types de capteurs utilisent ce principe : les capteurs à miroirs paraboliques* et les capteurs à miroirs plans*.

Les capteurs à miroirs paraboliques
Déjà dès l'Antiquité, les Grecs utilisaient un miroir parabolique pour allumer la flamme des Jeux olympiques (776 av. J.-C.). En 1878, Augustin Mouchot met au point la première machine à vapeur fonctionnant avec un miroir parabolique.
Le principe est le suivant : au-dessus du miroir, un récepteur de petite dimension est placé au point de convergence des rayons (le foyer de la parabole). Ce récepteur assure, en même temps, l'absorption du rayonnement* solaire et sa conversion en énergie mécanique puis électrique.

Un capteur parabolique

Capteurs paraboliques à moteur Stirling au foyer en Espagne

Quelques applications
Des capteurs de 50 mètres carrés (m²), expérimentés en France à Saint-Chamas dans les Bouches-du-Rhône ont fourni une température de 300° C. L'Australie a mis en œuvre un ensemble de capteurs de 400 mètres carrés (m²) pour fournir une puissance électrique totale de l'ordre de 2 mégawatts* (MW).
La centrale de Warner Springs aux USA est composée de systèmes contenant chacun 24 miroirs paraboliques disposés en coupelles (les héliostats) : la puissance* électrique maximale du site atteint 25 mégawatts (MW).

Centrale photovoltaïque de Warner Springs de 5 MW électrique de puissance installée

Dans le désert de Mojave, près de Los Angeles, 9 centrales solaires construites entre 1984 et 1990 fournissent une puissance totale de 350 mégawatts (MW). Chaque centrale occupe environ 150 hectares (ha) au sol, occupé par des milliers de mètres carrés (m²) de miroirs. La conduite, la surveillance, l'entretien de chaque centrale sont assurés par une équipe de 45 personnes dont 5 uniquement pour le lavage des miroirs tous les 15 jours.

Les capteurs à miroirs plans
Un ensemble de miroirs, mobiles grâce à un système automatique, renvoie en permanence le rayonnement solaire à une chaudière située au sommet d'une tour. L'énergie reçue par la chaudière permet le fonctionnement d'une machine à vapeur qui entraîne une génératrice de courant.
La centrale à tour française Thémis (Pyrénées-Orientales) a été expérimentée de 1983 à 1986.

Disposition des capteurs plans dans une centrale à tour

La centrale à tour Thémis (Pyrénées-Orientales)

Les capteurs à miroirs plans et miroirs paraboliques peuvent être réunis dans une même centrale. C'est le four solaire. Il est constitué d'un champ de miroirs plans mobiles et d'un grand miroir parabolique fixe qui concentre tout le rayonnement sur une surface réduite. Ces fours sont utilisés dans le traitement thermique de certains matériaux et en photochimie et permettent d'obtenir des températures qui dépassent 3 000° C.
Le four solaire d'Odeillo (Pyrénées-Orientales) est un exemple classique.

Disposition des miroirs dans un four solaire

Le four solaire d'Odeillo (Pyrénées-Orientales)

Les panneaux solaires photovoltaïques (photopiles* solaires)
En 1839, le physicien français Antoine Becquerel dépose, à l'Académie des sciences, un "Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires".
En 1955, des chercheurs américains de la Bell Telephone Company, M.B. Prince, C.S. Fuller et G.L. Pearson mettent au point la première cellule photovoltaïque* transformant l'énergie* solaire en énergie électrique.
La naissance de l'industrie spatiale et le développement des composants à base de semi-conducteurs* va contribuer à la progression rapide de cette nouvelle technologie.
Les cellules photovoltaïques classiques sont fabriquées à partir de silicium (semi-conducteur qui provient de la silice, élément abondant à la surface de la Terre). Une galette de silicium monocristallin est dopée pour constituer, dans son épaisseur, deux zones différentes de type P et N. Chacune de ces zones est reliée à une électrode* métallique, une grille en face avant et un contact en face arrière. Les photons* solaires éclairent la zone la moins épaisse où ils sont en partie absorbés.
L'énergie des photons permet de créer des paires électron-trou qui diffusent vers la face arrière où elles vont être séparées créant ainsi une différence de potentiel, ou un courant.
Par convention internationale, on exprime la puissance* optimale que peut fournir une cellule photovoltaïque en watt-crête* (Wc). Cette puissance optimale est définie par un éclairement énergétique de 1 000 watts* par mètre carré (W/m²), une température de 25° C du semi-conducteur, des rayons solaires perpendiculaires à sa surface et une charge idéale. Pour une cellule circulaire de silicium monocristallin de 10 centimètres (cm) de diamètre, la puissance optimale est de 1,3 Wc, la tension obtenue est alors de 0,5 volts* pour une intensité de 2,6 ampères*. Un panneau solaire de 1 mètre carré composé de 100 cellules identiques à la précédente fournira une puissance de 130 Wc. Les cellules sont associées en série pour augmenter la tension et en dérivation pour accroître l'intensité débitée. L'ensemble est enfermé dans une enveloppe rigide et étanche dont la surface supérieure est transparente (verre ou plastique) et résistante aux intempéries.

Un toit photovoltaïque en Finlande (chalet d'été)

La plupart des utilisations locales du photovoltaïque nécessite la réserve de l'électricité* produite dans les batteries d'accumulateurs* pour la restituer lorsque le soleil a disparu.
Quelques grandes centrales photovoltaïques existent depuis les années 1980 : sur une grande surface, plusieurs modules photovoltaïques sont tout simplement associés. Un dispositif de conditionnement transforme le courant continu* en courant alternatif* et un transformateur ajuste la tension pour que la centrale soit couplée au réseau général de distribution de l'électricité. Ainsi la centrale de Rancho Seco près de Sacramento en Californie atteint 100 mégawatts-crête (MWc) de puissance installée.

Les centrales photovoltaïques sont reliées au réseau général de distribution de l'électricité

La centrale de Rancho Seco (Californie) près de la centrale nucléaire

Demain

L'avenir est plutôt dans la production décentralisée de l'électricité. La moitié de la population mondiale est située à l'écart des réseaux électriques et l'énergie solaire constitue souvent la seule possibilité d'électrification des sites isolés (refuges de montagne, balises en mer, téléphones isolés, etc.)
Cependant de nombreuses pistes pour le solaire sont étudiées. En voici deux exemples :
- la pile à hydrogène (à combustible) : des chercheurs japonais ont découvert la possibilité de photocatalyser* la dissociation de l'eau en oxygène et hydrogène en utilisant le rayonnement solaire. L'hydrogène* est un carburant d'avenir car sa combustion n'apporte aucune pollution (elle régénère de l'eau). La pile à hydrogène a déjà fait ses preuves sur les engins spatiaux ;
- les centrales solaires satellisées : le projet Solar Power Satellite envisage de satelliser une centrale de production photovoltaïque. La disponibilité de l'énergie solaire serait alors de 24 heures sur 24 et l'énergie produite serait transportée sur terre par faisceaux laser ou micro-ondes*.